[논문 리뷰] On the Evolution of Cosmological Type Ia Supernovae and the Gravitational Constant

E. Garcı́a–Berro, E. Gaztañaga외 3명|arXiv (Cornell University)|1999. 07. 30.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 1인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 우주상수를 요구하지 않고도 고적색도에서 관측된 타입 Ia 초신성의 어두워짐과 더 짧은 상승 시간을 설명할 수 있는 시간에 따라 변하는 중력상수 $G$의 가능성을 조사한다. 스칼라-텐서 이론, 특히 Jordan-Brans-Dicke 이론을 사용하여 $G \propto t^{-1}$ (디랙의 가설)가 $z \approx 0.5$에서 약 0.2 mag 어두운 최대 등급 및 약 2.5일 짧은 상승 시간을 자연스럽게 설명함을 보여준다. 이는 Riess 등(1999)의 데이터와 일치한다.

ABSTRACT

There are at least three ways in which a varying gravitational constant $G$ could affect the interpretation of the recent high-redhisft Type Ia supernovae results. If the local value of $G$ at the space-time location of distant supernovae is different, it would change both the thermonuclear energy release and the time scale of the supernova outburst. In both cases the effect is related to a change in the Chandrasekhar mass $M_{ m Ch}\propto G^{-3/2}$. Moreover the integrated variation of $G$ with time would also affect cosmic evolution and therefore the luminosity distance relation. Here we investigate in a consistent way how these different effects of a varying $G$ could change the current interpretation of the Hubble diagram of Type Ia supernovae. We parametrize the variation of $G$ using scalar-tensor theories of gravity, such as the Jordan-Brans-Dicke theory or its extensions. It is remarkable that Dirac's hypothesis that $G$ should decrease with time can qualitatively explain the observed $Δm \simeq 0.2$ mag decrease at $z\simeq 0.5$ (with respect to a decelerating universe) and, at the same time, reduce the duration of the risetimes of distant Type Ia supernovae as recently reported.

연구 동기 및 목표

• 시간에 따라 변하는 중력상수 $G$가 우주상수를 도입하지 않고도 고적색도 타입 Ia 초신성의 관측된 허블도를 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• 시간에 따라 변하는 $G$가 고적색도에서 관측된 약 0.2 mag 어두운 최대 등급 및 약 2.5일 짧은 상승 시간과 일치하는지 평가하기 위해.
• 특히 $\omega = \omega(z)$를 가진 스칼라-텐서 중력 이론이 관측된 초신성 데이터를 수용하면서도 평탄한, $\Omega_\Lambda = 0$ 우주를 유지할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 현재 초신성 데이터에서 $\omega$와 $G$의 변화에 대한 제약 조건을 평가하기 위해, 특히 빛의 곡선 너비 변화를 고려할 때.

제안 방법

• 스칼라-텐서 이론, 특히 시간에 따라 변화하는 결합 매개변수 $\omega = \omega(z)$를 가진 Jordan-Brans-Dicke 이론을 사용하여 $G$의 변화를 매개변수화하기 위해.
• 찬드라세카르 질량을 $M_{\rm Ch} \propto G^{-3/2}$로 모델링하여 타입 Ia 초신성의 에너지 방출과 시간 스케일과 연결하기 위해.
• 아르네티의 해석적 빛의 곡선 모델을 사용하여 상승 시간 의존성 $\tau \propto G^{-3/4}$를 유도하고, 고적색도에서 관측된 더 짧은 상승 시간과 연결하기 위해.
• 스칼라-텐서 우주론에서의 등급 거리 관계를 계산하여 관측된 허블도와의 호환성을 평가하기 위해.
• Riess 등(1998, 1999a,b)의 관측 데이터, 즉 저적색도 및 고적색도 초신성의 최대 등급 및 상승 시간과 이론적 예측을 비교하기 위해.
• 1$\sigma$ 및 2$\sigma$ 신뢰 수준에서 $\Omega_\Lambda$, $\Omega_{\rm M}$, $\omega$를 제약하는 데 Likelihood 분석을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간에 따라 변하는 중력상수 $G$가 우주상수를 요구하지 않고도 고적색도 타입 Ia 초신성의 관측된 약 0.2 magnitude 어두운 최대 등급을 설명할 수 있는가?
• RQ2 우주의 시간이 지남에 따라 감소하는 $G$가 고적색도 초신성에서 관측된 약 2.5일 짧은 상승 시간(근처 초신성과 비교)을 자연스럽게 설명할 수 있는가?
• RQ3 만약 $\Omega_\Lambda = 0$ 이고 우주가 평탄하다면, 초신성 데이터에서 스칼라-텐서 결합 매개변수 $\omega$에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 $\omega = \omega(z)$를 가진 스칼라-텐서 이론이 비가속 우주에서 타입 Ia 초신성의 허블도를 일치시킬 수 있는가?
• RQ5 관측된 빛의 곡선 너비 변화는 변하는 $G$가 어두운 에너지의 대안으로서의 타당성에 어떻게 影향을 미치는가?

주요 결과

• 디랙의 가설에 따르면 $G$는 시간에 따라 감소하며 ($G \propto t^{-1}$), 이는 $z \approx 0.5$에서 관측된 약 0.2 mag 어두운 최대 등급과 약 2.5일 짧은 상승 시간을 정성적으로 설명할 수 있으며, 이는 Riess 등(1999a,b)의 데이터와 일치한다.
• 2$\sigma$ 신뢰 수준에서 데이터는 평탄한 우주와 $\Omega_\Lambda \lesssim 1.0$을 지지하며, $\Omega_{\rm M} \lesssim 0.7$이므로 $\Omega_\Lambda = 0$ 우주론과 함께 변화하는 $G$를 수용할 수 있다.
• $\Omega_{\rm R} = 0$인 평탄한 우주에서 관측과 일치하기 위해 결합 매개변수 $\omega$는 $1.5 \lesssim \omega \lesssim 3.0$이어야 한다.
• 빛의 곡선 너비 변화를 고려하지 않을 경우, $\omega \gtrsim 1.5$이면 여전히 데이터를 설명할 수 있으나, 제약 조건은 더 약하다.
• 빛의 곡선 너비 변화를 포함하면 제약 조건이 강화되어 평탄하고 $\Omega_\Lambda = 0$인 우주와의 일치를 위해 $\omega \lesssim 3.0$이 필수적이다.
• 본 연구는 향후 $z > 1$에서의 타입 Ia 초신성 관측이 $G$와 같은 기본 상수의 변화를 더욱 강력하게 제약할 수 있을 것임을 시사한다.